JP3821512B2 - 振動式圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷凍サイクル等に使用する振動式圧縮機に関し、特に容量制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動式圧縮機としては、特開昭５１−５７００９号公報に示されているものがある。以下、図面を参照しながら上記従来の振動式圧縮機の一例を説明する。
【０００３】
従来の構成を図２に示す。図２において、１は密閉ケーシング、２は本体である。本体２は、モーター３、シリンダ４、ピストン５、軸受６、シリンダヘッド７、共振スプリング８とから構成されており、サスペンションスプリング（図示せず）により、密閉ケーシング１内に弾性支持されている。またモーター３は、固定子３ａと可動子３ｂとから構成されており、可動子３ｂはピストン５に固定されている。９は潤滑油であり、密閉ケーシング１の下部に溜められている。
【０００４】
シリンダ４と軸受６は、ピストン５が軸方向に摺動可能なように支持している。共振スプリング８は、一端がモーター３の可動子３ｂに固定され、他端が軸受６固定されており、一部が密閉ケーシング１の下部に溜められている潤滑油９中に浸っている。
【０００５】
共振スプリング８が自然長の状態で、ピストン５に固定されたモーター３の可動子３ｂは、固定子３ａに対してシリンダ４側に配設されている。１０はシリンダ４とピストン５とから構成される圧縮室である。１１は吐出管であり、シリンダヘッド７の高圧室７ｂに連通している。
【０００６】
次に、振動式圧縮機の機構について説明する。交流電源を半波整流し、コイル巻線で形成された固定子３ａに通電することにより、ピストン５に固定された可動子３ｂは固定子３ａの磁極の方向に磁気可変抵抗原理により吸引される。そして吸引時に、可動子３ｂと軸受６間に配設した共振スプリング８に蓄えられた弾性力により、逆方向に押され、この繰り返しによりピストン５は軸方向の往復運動を繰り返す。
【０００７】
冷却システム（図示せず）からの冷媒ガスは、吸入管（図示せず）を介して、一部の冷媒ガスは密閉ケーシング１内に放出されるが、大部分の冷媒ガスはシリンダヘッド７の低圧室７ａに導かれ、シリンダ４内の圧縮室１０に至る。圧縮室１０に至った冷媒ガスは、上述したピストン５の往復運動により圧縮される。圧縮された冷媒ガスは、シリンダヘッド７内に配設されている吐出弁（図示せず）を介して一旦シリンダヘッド７内の高圧室７ｂに吐出された後、吐出管（図示せず）を介して冷却システムに吐出される。
【０００８】
また、密閉ケーシング１内の下部に溜まった潤滑油９は、ピストン５の軸方向の往復運動に伴う共振スプリング６の伸縮運動によりかく拌され、密閉ケーシング１内に飛散し、シリンダ４とピストン５間の摺動部や、軸受６とピストン５間の摺動部を潤滑、シールしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のような構成では、圧縮機の運転圧力条件等が変化すると、ピストン及び可動子の軸方向への往復移動量（以降ストローク）が変化する。
【００１０】
ストロークが大きくなると、ピストンがシリンダヘッドに衝突し、ピストンやシリンダヘッドが損傷したり、騒音が大きくなる可能性があった。さらに、共振スプリングの伸縮量が過大になり、共振スプリングが破損したり、破損まで至らなくても信頼性が低下する可能性があった。
【００１１】
また、ストロークが小さくなると、ピストンが上死点まで到達しなくなる。即ち、ストロークが小さくなると、圧縮室に吸入された冷媒ガスを十分に昇圧できず、また再膨脹容積が増大するため、圧縮機の能力及び効率が低下する可能性があった。
【００１２】
本発明は、従来の課題を解決するもので、圧縮機の運転圧力条件等が変化し、ピストン及び可動子の軸方向への移動量（以降ストローク）が変化して、ピストンのストロークが大きくなっても、ピストンがシリンダヘッドに衝突することを防止し、ピストンやシリンダヘッドが損傷したり、騒音が大きくなることを防止する。
【００１３】
また、ストロークが小さくなっても、常にピストンを上死点まで到達させることにより、冷媒ガスの昇圧不足及び再膨脹容積の増大を防止する。
【００１４】
また、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、ピストンのストロークの中心位置を制御することにより、圧縮機の実質的に有効な気筒容積を可変し、さらにピストンのストロークを制御する機構と併用することにより、圧縮機の気筒容積、能力を自在に可変する、即ち容量制御を行い、１台の圧縮機でさらに幅広い能力を得る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の振動型圧縮機は、この目的を達成するため本発明の振動式圧縮機は、密閉ケーシングと、密閉ケーシング内に収納されたシリンダと、固定子と可動子とから構成されたモーターと、シリンダ内に嵌められ、モーターの可動子が固定されたピストンと、モーターの可動子またはピストンの少なくともいずれかにより構成された往復運動要素と、往復運動要素と共振スプリングにより連結された可動要素と、固定的に設けられた背圧室と、この背圧室の圧力を受ける可動要素の受圧端部と、背圧室に連通した背圧圧力制御機構とからなり、背圧室内に連通した給油機構と、背圧室内に溜められた潤滑油とを備え、背圧圧力制御機構により背圧室内の圧力を吸入圧力から吐出圧力の範囲内で昇圧または減圧することを特徴としている。
【００１６】
これより、圧縮機の運転圧力条件が変化し、ピストン及び可動子の軸方向への移動量（以降ストローク）が変化し、ピストンのストロークが大きくなっても、ピストンがシリンダヘッドに衝突することを防止し、ピストンやシリンダヘッドが損傷したり、騒音が大きくなることを防止する。
【００１７】
また、ストロークが小さくなっても、常にピストンを上死点まで到達させることにより、冷媒ガスの昇圧不足及び再膨脹容積の増大を防止する。
【００１８】
また、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、ピストンのストロークの中心位置を制御することにより、圧縮機の実質的に有効な気筒容積を可変し、さらにピストンのストロークを制御する機構と併用することにより、圧縮機の気筒容積、能力を自在に可変する、即ち容量制御を行い、１台の圧縮機でさらに幅広い能力を得る。
【００２０】
また、ピストンの往復運動に伴う振動を低減する。また、圧縮室内の冷媒ガスによるガスバネ，共振スプリング，背圧室内の媒体によるバネ，可動要素などの可動する部材，シリンダ等の可動しない部材で基本的に構成される共振系において、背圧室内の圧力変化等による共振周波数の急激な変化を低減し、効率的な運動を行う。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、密閉ケーシングと、密閉ケーシング内に収納されたシリンダと、固定子と可動子とから構成されたモーターと、シリンダ内に嵌められ、モーターの可動子が固定されたピストンと、モーターの可動子またはピストンの少なくともいずれかにより構成された往復運動要素と、往復運動要素と共振スプリングにより連結された可動要素と、少なくともシリンダにより構成された固定要素と、固定的に設けられた背圧室と、背圧室の圧力を受ける可動要素の受圧端部と、背圧室に連通した背圧圧力制御機構とからなり、背圧室内に連通した給油機構と、背圧室内に溜められた潤滑油とを備え、背圧圧力制御機構により背圧室内の圧力を吸入圧力から吐出圧力の範囲内で昇圧または減圧することを特徴としたものであり、圧縮機の運転圧力条件等が変化し、ピストン及び可動子の軸方向への移動量（以降ストローク）が変化して、ピストンのストロークが大きくなっても、ピストンがシリンダヘッドに衝突することを防止し、ピストンやシリンダヘッドが損傷したり、騒音が大きくなることを防止するという作用を有する。
【００２５】
また、ストロークが小さくなっても、常にピストンを上死点まで到達させることにより、冷媒ガスの昇圧不足及び再膨脹容積の増大を防止するという作用を有する。
【００２６】
また、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、ピストンのストロークの中心位置を制御することにより、圧縮機の実質的に有効な気筒容積を可変し、さらにピストンのストロークを制御する機構と併用することにより、圧縮機の気筒容積、能力を自在に可変する、即ち容量制御を行い、１台の圧縮機でさらに幅広い能力を得るという作用を有する。
【００２７】
また、ピストンの往復運動に伴う振動を低減するという作用を有する。
【００２８】
また、圧縮室内の冷媒ガスによるガスバネ，共振スプリング，背圧室内の媒体によるバネ，可動要などの可動する部材，シリンダ等の可動しない部材で基本的に構成される共振系において、背圧室内の圧力変化等に伴う共振周波数の急激な変化を低減し、効率的な運転を行うという作用を有する。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図１を用いて説明する。尚、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施例による振動式圧縮機の縦断面図である。図１において、１３は往復運動要素であり、ピストン５とモーター３の可動子３ａとから構成されている。１２は可動要素であり、往復運動要素１３と共振スプリング８にて連結されている。１２ａは後述する背圧室の圧力を受ける受圧端部で、可動要素１２の一部に設けられている。
【００３３】
１４は背圧室であり、密閉ケーシング１に固定された背圧部材１６にて形成されている。１５は、背圧室１４に連通した背圧圧力制御機構である。
【００３４】
以上のように構成された振動式圧縮機において、以下その動作を説明する。
まず、圧縮機の運転圧力条件等が変化し、ピストン５のストロークが増大する場合について説明する。
【００３５】
ピストン５のストロークが増大すると、ピストン５がシリンダヘッド７に衝突しそうになる。この時には、背圧室１４内の圧力を低下させるように背圧圧力制御機構１５が作動する。その具体的な手段としては、例えば吸入圧力などの低圧圧力を背圧室１４内に導くといった方法がある。
【００３６】
そのため、可動要素１２の受圧端部１２ａに作用するシリンダ４側へのガス圧荷重が減少し、可動要素１２は反圧縮室１０側に移動する。そして、可動要素１２に一端が固定されている共振スプリング８に引張力が作用し、その引張力により共振スプリング８の他端が固定されているピストン５も反圧縮室１０側に移動する。
【００３７】
その結果、実質的にはピストン５のストロークの中心が反圧縮室１０側に移動し、ピストン５は上死点を越えてシリンダヘッド７側へストロークすることはなくなる。この時、ピストン５のストローク量はほとんど変化しない。
【００３８】
従って、圧縮機の運動圧力条件が変化し、ピストン５のストロークが増大しても、背圧室１４内の圧力が低下することにより、ピストン５のストローク量は変化しないが、ストロークの中心が反圧縮室１０側へ移動し、ピストン５がシリンダヘッド７に衝突することを防止し、ピストン５やシリンダヘッド７の損傷を防止できると共に、衝突による騒音の発生も防止することができる。
【００３９】
次に、圧縮機の運転圧力条件等が変化し、ピストン５のストロークが減少する場合について説明する。
【００４０】
ピストン５のストロークが減少すると、ピストン５が上死点まで到達しなくなる。この時には、背圧室１４内の圧力を上昇させるように背圧圧力制御機構１５が作動する。その具体的な手段としては、例えば吐出圧力などの高圧圧力を背圧室１４内に導くといった方法がある。
【００４１】
そのため、可動要素１２の受圧端部１２ａに作用するシリンダ４側へのガス圧荷重が増大し、可動要素１２は圧縮室１０側に移動する。そして、可動要素１２に一端が固定されている共振スプリング８に圧縮力が作動し、その圧縮力により共振スプリング８の他端が固定されているピストン５も圧縮室側１０に移動する。 その結果、実質的にはピストン５のストロークの中心が圧縮室側１０に移動し、ピストン５が上死点に到達する。この時、ピストン５のストローク量はほとんど変化しない。
【００４２】
従って、圧縮機の運転圧力条件が変化し、ピストン５のストロークが減少しても、背圧室１４内の圧力が上昇することにより、ピストン５のストローク量は変化しないが、ストロークの中心が圧縮室１０側へ移動し、ピストン５を上死点まで到達させることができ、冷媒ガスの昇圧不足及び再膨脹容積の増大を防止することができる。
【００４３】
次に、容量制御について説明する。
上述した通り、背圧圧力制御機構１５により背圧室１４内の圧力を制御することにより、ピストン５のストロークの中心位置を自在に可変することができる。
【００４４】
そのため、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、背圧室１４内の圧力を低下させてピストン５のストロークの中心位置を反圧縮室１０側へ移動させ、ピストン５が上死点に到達しないようにすることにより、圧縮室１０内の再膨脹容積を増大させ、圧縮室１０の実質的に有効な容積を減らすことができる。例えば、冷凍サイクルにおいて、圧縮機の能力があまり必要でないときに以上の制御を行うことにより、効率的な運転を行うことができる。
【００４５】
また、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、背圧室１４内の圧力を上昇させてピストン５のストロークの中心位置を上死点を越えない範囲で圧縮室１０側へ移動させることにより、圧縮室１０内の再膨脹容積を減少させ、圧縮室１０の実質的に有効な容積を増やすことができる。例えば、冷凍サイクルにおいて、圧縮機の能力が必要なときに以上の制御を行うことにより、冷凍サイクルとしての能力を高めることができる。
【００４６】
従って、冷凍サイクルに必要なだけの圧縮機の能力を得るように制御することができ、容量制御を行うことができる。
【００４７】
さらに、例えばモーター３の駆動電圧を可変するといったピストン５のストロークの制御と併用することにより、圧縮機の容量制御範囲をより一層広くすることができる。
【００４８】
以上のように、圧縮機の運転圧力条件等が変化し、ピストン５及び可動子３ｂの軸方向への移動量（以降ストローク）が変化して、ピストン５のストロークが大きくなっても、ピストン５がシリンダヘッド７や、吸入弁、吐出弁に衝突することを防止し、ピストン５やシリンダヘッド７、吸入弁、吐出弁が損傷したり、騒音が大きくなることを防止することができる。
【００４９】
また、ストロークが小さくなっても、常にピストン５を上死点まで到達させることにより、冷媒ガスの昇圧不足及び再膨脹容積の増大を防止することができる。
【００５０】
また、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、ピストン５のストロークの中心を制御することにより、圧縮機の実質的に有効な気筒容積を可変し、さらにピストン５のストロークを制御する機構と併用することにより、圧縮機の気筒容積、能力を自在に可変する、即ち容量制御を行い、１台の圧縮機でさらに幅広い能力を得ることができる。
【００５１】
尚、本実施例においては、運転圧力条件ごとに背圧室１４内の圧力の適正値を事前に把握しておく必要があるが、ピストン５の位置を検出する手段を備え、その検出信号に応じて背圧室１４内の圧力を制御する構成でも、同様に実施可能である。
【００５２】
また本実施例では、可動要素１２及び密閉ケーシング１に固定した背圧部材１６にて背圧室１４を構成しているが、ピストン５の往復運動に連動して可動する他の部材と、シリンダ４やモーター３の固定子３ａなどのピストン５の往復運動に連動して可動しない部材にて構成しても、同様に実施可能である。
【００５３】
また本実施例では、密閉ケーシング１内の潤滑油９を共振スプリング８にて飛散させているが、ピストン５、可動子３ｂ等の密閉ケーシング１内で可動するものであれば、同様に実施可能であり、さらに、シリンダ４とピストン５間の摺動部や、軸受６とピストン５間の摺動部に潤滑油を使用しない圧縮機でも同様に実施可能である。
【００５４】
また本実施例では、モーター３は固定子３ａと可動子３ｂで構成されているが、往復運動を行うモーター構成であれば同様に実施可能である。
【００５５】
次に、背圧室１４に連通した給油機構１７と、給油機構１７により背圧室１４内に供給された潤滑油１８の動作および作用を説明する。
【００５６】
ピストン５が軸方向に往復運動を行い、共振スプリング８に軸方向の弾性力が蓄えられるため、共振スプリング８に連結された可動要素１２にも軸方向の変動荷重が作用する。
【００５７】
具体的には、ピストン５が圧縮室１０側へ移動する圧縮行程時には、可動要素１２にも圧縮室１０側へ引っ張られる荷重が作用し、逆にピストン５が反圧縮室１０側へ移動する吸入行程時は、可動要素１２は反圧縮室１０側へ押される荷重が作用し、ピストン５の一往復運動中に方向及び大きさともに変動する荷重が作用する。
【００５８】
そのため、吸入行程においては、背圧室１４内の容積を減少させるように、逆に圧縮行程においては、背圧室１４内の容積を増大させるように可動要素１２は移動する。
【００５９】
その際に、背圧室１４内には背圧室１４に連通した給油機構１７により潤滑油１８が供給されており、潤滑油は非圧縮性流体であるため、可動要素１２の動き（振動）を潤滑油１８が減衰させるように作用するため、可動要素１２の振動を低減することができる。
【００６０】
次に、共振系の共振周波数について説明する。
圧縮室１０内の冷媒ガス，共振スプリング８，ピストン５や可動要素１２などの可動する部材，シリンダ４等の可動しない部材で基本的に共振系が構成される。この共振系において、共振スプリング８に蓄えた弾性力により最も効率よく運転できる運転周波数（以降共振周波数）は、圧縮室１０内の冷媒ガスによるガスバネ定数，共振スプリング８のバネ定数，背圧室１４内の媒体によるバネ定数，可動要素１２などの可動する部材の総重量，シリンダ４等の可動しない部材の総重量で理論的に決定される。そのため、背圧室１４内の圧力が変動すると共振周波数も変化する。
【００６１】
しかしながら、背圧室１４内には潤滑油１８が供給されており、可動要素１２の振動を低減することができため、背圧室１４内の圧力が急激に変化することを防止でき、背圧室１４内の圧力変動に伴う共振周波数の急激な変化を防止できる。
【００６２】
従って、共振周波数と同じとなるように圧縮機の運転周波数を制御する制御機構が容易で、且つその制御の応答性や精度があまり良くなくても十分共振周波数の変化に追従でき、常に効率的な運転を行うことができる。
【００６３】
以上のように、背圧室１４内に連通した給油機構１７と、背圧室１４内に溜められた潤滑油１８を備えたものであるから、これにより、可動要素１２の動き（振動）を潤滑油１８が減衰させるように作用するため、ピストン５の往復運動に伴う可動要素１２の振動を低減することができる。
【００６４】
また、可動要素１２の振動を振動を低減することにより、背圧室１４内の圧力が急激に変化することを防止でき、背圧室１４内の圧力変動に伴う共振周波数の急激な変化を防止することができる。そのため、共振周波数と同じとなるように圧縮機の運転周波数を制御する制御機構が容易で、且つその制御の応答性や精度があまり良くなくても十分共振周波数の変化に追従でき、常に効率的な運転を行うことができる。
【００６５】
尚、本実施例では、給油機構１７として、密閉ケーシング１内以外の冷凍サイクルから潤滑油を背圧室１４内に供給する構成となっているが、密閉ケーシング１内に保有した潤滑油９を提供する構成でも、同様に実施可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように、密閉ケーシングと、密閉ケーシング内に収納されたシリンダと、固定子と可動子とから構成されたモーターと、シリンダ内に嵌められ、モーターの可動子が固定されたピストンと、モーターの可動子またはピストンの少なくともいずれかにより構成された往復運動要素と、往復運動要素と共振スプリングにより連結された可動要素と、可動要素の受圧端部と、固定的に設けられた背圧室と、背圧室に連通した背圧圧力制御機構とからなり、背圧室内に連通した給油機構と、背圧室内に溜められた潤滑油とを備え、背圧圧力制御機構により背圧室内の圧力を吸入圧力から吐出圧力の範囲内で昇圧または減圧することを特徴としたものであるから、圧縮機の運転圧力条件等が変化し、ピストン及び可動子の軸方向への移動量（以後ストローク）が変化して、ピストンのストロークが大きくなっても、ピストンがシリンダヘッドや、吸入弁、吐出弁に衝突することを防止し、ピストンやシリンダヘッド、吸入弁、吐出弁が損傷したり、騒音が大きくなることを防止することができる。
【００７８】
また、ストロークが小さくなっても、常にピストンを上死点まで到達させることにより、冷媒ガスの昇圧不足及び再膨脹容積の増大を防止することができる。
【００７９】
また、運転圧力条件等の変化の有無にかかわらず、ピストンのストロークの中心を制御することにより、圧縮機の実質的に有効な気筒容積を可変し、さらにピストンのストロークを制御する機構と併用することにより、圧縮機の気筒容積、能力を自在に可変する、即ち容量制御を行い、１台の圧縮機でさらに幅広い能力を得ることができる。
【００８０】
また、可動要素の振動を潤滑油が減衰させるように作用するため、ピストンの往復運動に伴う可動要素の振動を低減することができる。
【００８１】
また、可動要素の振動を振動を低減することにより、背圧室内の圧力が急激に変化することを防止でき、背圧室内の圧力変動に伴う共振周波数の急激な変化を防止することができる。そのため、共振周波数と同じとなるように圧縮機の運転周波数を制御する制御機構が容易で、且つその制御の応答性や精度があまり良くなくても十分共振周波数の変化に追従でき、常に効率的な運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による振動式圧縮機の縦断面図
【図２】 従来の振動式圧縮機の縦断面図
【符号の説明】
１ 密閉ケーシング
３ モーター
３ａ 固定子
３ｂ 可動子
４ シリンダ
５ ピストン
８ 共振スプリング
１０ 圧縮室
１２ 可動要素
１２ａ 受圧端部
１３ 往復運動要素
１４ 背圧室
１５ 背圧圧力制御機構
１７ 給油機構
１８ 潤滑油
１９ 固定要素

Claims (1)

1. 密閉ケーシングと、前記密閉ケーシング内に収納されたシリンダと、固定子と可動子とから構成されたモーターと、前記シリンダ内に嵌められ前記モーターの可動子が固定されたピストンと、前記モーターの可動子または前記ピストンの少なくともいずれかにより構成された往復運動要素と、前記往復運動要素と共振スプリングにより連結された可動要素と、固定的に設けられた背圧室と、この背圧室の圧力を受ける可動要素の受圧端部と、前記背圧室に連通した背圧圧力制御機構とからなり、前記背圧室内に連通した給油機構と、前記背圧室内に溜められた潤滑油とを備え、前記背圧圧力制御機構により前記背圧室内の圧力を吸入圧力から吐出圧力の範囲内で昇圧または減圧することを特徴とする振動式圧縮機。

Images